CN111975242B - 提高带铝硅镀层的热成形钢拼焊板焊接接头塑性的焊膏和工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高带铝硅镀层的热成形钢拼焊板焊接接头塑性的焊膏及工艺，属于焊接与连接技术领域。采用稀土氧化物、熔盐及金属粉末组成，其按质量百分比计(Wt/％)为：氧化镧(La₂O₃)5‑10％，氯化钙(CaCl₂)5‑10％，氮化钛(TiN)2‑5％，镍粉(Ni)2‑5％，硼酸钠(Na₂B₄O₇)2‑5％，碳粉(C)0.02‑0.08％，其余为铁粉，颗粒粉末尺寸为0.1‑30μm。预先将合金粉末与粘结剂混合后涂覆于热成形钢侧激光焊接处，预热后施焊。经热成形工艺，相同技术参数条件下，按照国家标准GB/T228.1‑2010制备标距为80mm样品，获得22MnB5激光拼焊板焊接接头抗拉强度≥1350Mpa，延伸率≥4.5％。

Description

提高带铝硅镀层的热成形钢拼焊板焊接接头塑性的焊膏和 工艺

技术领域

本发明涉及一种提高带铝硅镀层的热成形钢拼焊板焊接接头塑性的焊膏和工艺，采用稀土氧化物、熔盐及金属粉末作为主要成分，与热成形钢板镀层中的铝、硅发生冶金反应，通过金属离子扩散作用，提高焊缝区晶粒尺寸以及铝元素分布的均匀性，改善焊接接头强度和塑性，属于焊接与连接技术领域。

背景技术

热成形钢是一种兼顾轻量化和安全性要求的超高强度钢，其通过采用热成形技术，在高温下具有塑性好、成形能力强、回弹量小等特点，成型后强度可达1500MPa以上，满足汽车安全结构件强度和塑性需求。目前，热成形钢包括带铝硅合金层和带锌合金层的热成形钢，该钢种通过预制合金层的方法来解决高温钢材表面氧化问题；其中，带铝硅镀层的热成形钢由于其耐热高、耐磨损以及膨胀系数小等特点，受到各大汽车厂商的广泛认可。热成形钢激光拼焊板焊接过程中，母材在激光热作用下发生复杂的化学和物理冶金过程，其表面的铝硅镀层发生溶解或熔解，从而在焊接接头的焊缝区形成连续的铁-铝相组织，在后续热加工过程中生成大量脆性相，严重降低了焊接接头的强度和塑性。为解决镀层对焊缝强塑性的影响，国内外(包括卢森堡、韩国、德国、奥地利和中国等国)科研工作者开展了相关研究并申请发明专利若干项，其中镀层消蚀技术和填丝焊焊丝开发是两个重要研究方向。专利201580021443.1采用激光熔融和气化方法，控制间隙0.02～2mm，可去除全部或者部分铝硅合金层来改善焊接接头焊缝质量；专利201380001259.1采用填充焊丝(碳含量比基材高0.1～0.8wt％，锰含量比基材高1.5～7.0wt％)，通过添加奥氏体稳定元素，降低AC3温度点，热处理后获得全马氏体结构；专利201510165732.0针对不同材料或厚度钢板，通过填充焊丝(碳含量0.6～0.9wt％，锰含量0.3～0.9wt％，镍含量 1.6～3.0wt％，余量为铁)，稀释焊缝铝元素，扩大奥氏体相区，提高焊缝的均匀性，改善成型质量；专利201680054858.3通过填充焊条(碳含量0.05～0.15wt％，硅含量0.5～2wt％，锰含量1.0～3.0wt％，铬和钼含量为0.5～2.0wt％以及镍含量为1.0～4.0wt％)，控制焊接间隙(至少0.15mm)，实现异质不等厚热成形钢激光拼焊，该专利指出通过添加焊丝方法实现热成形钢可靠连接，此方法无需去除镀层，可有效降低生产成本。

近年来，激光焊接工作者一直在探索如何在不破坏母材自身性能亦或产生新的加工问题的同时解决热成形钢焊接质量问题。2019年，Materialwiss, Werkstofftech.2019,50,115-125，由德国亚琛工业大学发表了一篇热成形钢 22MnB5激光焊接方法改良方案，该方法通过采用“8”字激光束焊接法，将接头强度提高了10KN，塑性提高了近2倍，该专利指出，通过采用“8”字激光束焊接方法可降低拼焊板焊后冲压开裂的风险。同年，专利201911306466.3发明了一种热成形钢焊剂，通过涂覆熔盐以及金属氧化物方法去除表面镀层，该方法降低焊缝区显微硬度，改善焊接接头的成型性能。针对热成形钢激光拼焊板焊缝强塑性降低问题，如何通过简单而行之有效的工艺和方法提高热成形钢拼焊板的强塑性是科研工作者不可推卸的责任。

发明内容

本发明设计一种提高带铝硅镀层的热成形钢拼焊板焊接接头塑性的焊膏和工艺，通过稀土氧化物、熔盐及金属粉末作为混合粉末，在激光热源作用下与铝、硅反应形成富含La的Al、Fe和Si相固溶体，可细化焊缝晶粒，提高热成形钢塑性成型性能。

本发明的核心技术是通过在激光焊接表面涂覆焊膏，避免填丝焊对中困难这一问题，降低镀层对激光能量的反射，细化焊接接头焊缝区的富铝相，提高焊缝近表面熔合区中铝元素分布的均匀性，改善热成形钢拼焊板焊接接头的强塑性。

本发明的上述目的是这样实现的，结合附图说明如下：

一种提高带铝硅镀层的热成形钢激光拼焊板焊接接头塑性的焊膏，其特征在于，表面涂覆焊膏由变质剂与粘结剂组合而成，所述焊膏中采用稀土氧化物、熔盐及金属粉末组成，按质量百分比计(Wt/％)为：氧化镧(La₂O₃)5-10％，氯化钙(CaCl₂)5-10％，氮化钛(TiN)2-5％，镍粉(Ni)2-5％，硼酸钠(Na₂B₄O₇) 2-5％，碳粉(C)0.02-0.08％，其余为铁粉，颗粒粉末尺寸为0.1-30μm。预先将合金粉末与粘结剂混合后涂覆于热成形钢侧激光焊接处，预热后施焊。经热成形工艺，相同技术参数条件下，按照国家标准GB/T228.1-2010制备标距为 80mm样品，获得22MnB5激光拼焊板焊接接头抗拉强度≥1350Mpa，延伸率≥4.5％。

进一步地，所述焊膏由混合合金粉末和粘结剂组合而成，其中粘结剂为聚乙二醇和聚乙烯醇，预先将粘接剂与粉末混合均匀后，涂覆于热成形钢拼焊板待施焊处。

一种用于提高带铝硅镀层的热成形钢激光拼焊板焊接接头塑性的工艺，包括以下工艺步骤：

第一步，将稀土氧化物、熔盐及金属粉末烘干，烘干温度150-180℃，烘干时间15-30min，按照成分配比及颗粒尺度制备混合粉末；

第二步，按照体积比2：5将聚乙二醇和聚乙烯醇充分搅拌混合后加入混合粉末，通过机械搅拌和超声辅助均匀处理，形成焊膏；

第三步，将焊膏涂覆于待焊处，表面预热350～500℃；

第四步，进行激光拼焊，采用激光焊焊接表面涂覆铝合金镀层的热成形拼焊板，板材为22MnB5热成形钢，板材厚度为1.2mm和1.5mm，其中表面Al-Si 镀层重量为150g/㎡；采用二氧化碳激光器，焊接功率为5-7Kw，焊接速度 V＝5.0-8.5m/min，离焦量为F＝0mm，焊缝长度300mm。

热成形钢表面镀层铝硅合金在激光热源作用下，熔合线附近极易形成连续的富Al相组织，在后续热处理过程中转变为δ铁素体，从而造成应变集中产生裂纹，降低热成形钢拼焊板的塑性成形性能。采用稀土氧化物作为稀土阳离子，渗透扩散进入接头熔合区，可细化富铝相，起到固溶强化和晶粒细化作用，特别是提高焊缝近表面熔合区中铝元素分布均匀性。

焊后拼焊板历经热成形过程，需加热至900℃-930℃，此时母材与焊缝经过奥氏体化过程后淬火，高温铁素体δ铁素体为BCC结构，合金元素铝在其中的扩散系数5.15×10^{- 4}m2/s，当温度为897～1097℃时，扩散系数随温度变化较小，热成形奥氏体化过程难以实现铝元素匀化分布；焊膏中添加合金Ni、Ti和La 等元素可在扩大奥氏体区温度范围的同时进一步细化δ铁素体，减小铝元素的偏析现象，提高焊缝组织的均匀性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一种提高带铝硅镀层的热成形钢激光拼焊板焊接接头塑性的焊膏，其特征在于，表面涂覆焊膏由混合粉末与粘结剂组合而成，所述焊膏中采用稀土氧化物、熔盐及金属粉末用作为主要成分，其中颗粒粉末尺寸为0.1～30μm。针对焊缝熔合区连续富铝相和热成形后块状δ铁素体导致的接头强塑性降低问题，通过该方法可细化焊缝晶粒尺寸，提高铝元素的分布均匀性，从而减小接头断裂倾向，改善热成形钢焊接接头的强塑性。

附图说明

图1为未采用焊膏的热成形钢拼焊板熔合区连续富Al相。

图2是采用焊膏的热成形钢板材焊缝，熔合线处未观察到连续的富Al相。

具体实施方式

通过以下给出的实施例对本发明方法作进一步具体阐述。本发明所述的一种提高带铝硅镀层的热成形钢焊接接头塑性的焊膏及工艺，通过采用稀土氧化物、熔盐及金属粉末用作混合粉末，在激光热作用下与铝、硅反应形成富La 的Fe、Al和Si相固溶体，细化奥氏体晶粒和δ铁素体，提高铝元素分布的均匀性。

本发明所述一种提高带铝硅镀层的热成形钢激光拼焊接头塑性的焊膏和工艺，包括以下工艺步骤：

第一步，将稀土氧化物、熔盐及金属粉末烘干，烘干温度150-180℃，烘干时间15-30min，按照成分配比及颗粒尺度制备混合粉末；

第二步，按照体积比2：5将聚乙二醇和聚乙烯醇充分搅拌混合后加入混合粉末，通过机械搅拌和超声辅助均匀处理，形成焊膏；

第三步，将焊膏涂覆于待焊处，表面预热350-500℃；

第四步，进行激光拼焊，采用激光焊焊接表面涂覆铝合金镀层的热成形拼焊板，板材为22MnB5热成形钢，板材厚度为1.2mm和1.5mm，其中表面Al-Si 镀层重量为150g/㎡；采用二氧化碳激光器，焊接功率为5-7Kw，焊接速度 V＝5.0-8.5m/min，离焦量为F＝0mm，焊缝长度300mm。

下述所有实施例均按上述工艺步骤和工艺参数进行激光拼焊，实施例见下表1。表1为焊膏成分及热成形后激光焊接接头性能。

表1 22MnB5拼焊板焊接接头性能

本发明所述的一种提高带铝硅镀层的热成形钢焊接接头塑性的焊膏工艺，按照上诉步骤和成分进行激光拼焊表面涂覆后焊接，热成形后达到的技术指标为：22MnB5激光拼焊板焊接接头抗拉强度≥1350Mpa，延伸率≥4.5％。

Claims (3)

1.一种提高带铝硅镀层的热成形钢拼焊板焊接接头塑性的焊膏，其特征在于，所述焊膏由变质剂与粘结剂组合而成，所述变质剂为由稀土氧化物、熔盐及金属粉末组成的合金粉末，按质量百分比Wt/％计包括：氧化镧-La₂O₃ 5-10％，氯化钙-CaCl₂ 5-10％，氮化钛-TiN 2-5％，镍粉-Ni2-5％，硼酸钠-Na₂B₄O₇ 2-5％，碳粉-C 0.02-0.08％，其余为铁粉，颗粒粉末尺寸为0.1-30μm，预先将合金粉末与粘结剂混合后涂覆于热成形钢侧激光焊接处，预热后施焊，经热成形工艺，相同技术参数条件下，按照国家标准GB/T228.1-2010制备标距为80mm样品，获得22MnB5激光拼焊板焊接接头抗拉强度≥1350Mpa，延伸率≥4.5％。

2.根据权利要求1所述的一种提高带铝硅镀层的热成形钢拼焊板焊接接头塑性的焊膏，其特征在于，所述粘结剂由聚乙二醇和聚乙烯醇组成。

3.用于权利要求1所述的一种提高带铝硅镀层的热成形钢拼焊板焊接接头塑性的焊膏制作工艺，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将稀土氧化物、熔盐及金属粉末烘干，烘干温度150-180℃，烘干时间15-30min，按照成分配比及颗粒尺度制备混合粉末；

第二步，按照体积比2：5将聚乙二醇和聚乙烯醇充分搅拌混合后加入合金粉末，通过机械搅拌和超声辅助均匀处理，形成焊膏；

第三步，将焊膏涂覆于待焊处，表面预热350～500℃；

第四步，进行激光拼焊，采用激光焊焊接表面涂覆铝合金镀层的热成形拼焊板，板材为22MnB5热成形钢，板材厚度为1.2mm和1.5mm，其中表面Al-Si镀层重量为150g/㎡；采用二氧化碳激光器，焊接功率为5-7Kw，焊接速度V＝5.0-8.5m/min，离焦量为F＝0mm，焊缝长度300mm。

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